粉體的表面改性在很大程度上是通過表面改性劑在粉體表面的作用來實現(xiàn)的。因此,表面改性劑的配方(品種、用量和用法)對粉體表面的改性效果和改性后產品的應用性能有重要影響。表面改性劑配方具有針對性很強,即具有“一把鑰匙開一把鎖”的特點,主要包括選擇品種、確定用量和用法等內容。
1、表面改性劑的篩選
(1)粉體原料的性質
粉體原料的性質主要是酸、堿性、表面結構和官能團、吸附和化學反應特性等,應盡可能選擇能與粉體顆粒表面進行化學反應或化學吸附的表面改性劑,因為物理吸附在其后應用過程中的強烈攪拌或擠壓作用下容易脫附。
例如,石英、長石、云母、高嶺土等呈酸性的硅酸鹽礦物表面可以與硅烷偶聯(lián)劑進行鍵合,形成較牢固的化學吸附;而鈦酸酯和鋁酸酯類偶聯(lián)劑則在一定條件下和一定程度上可以與碳酸鹽類堿性礦物進行化學吸附作用。
(2)產品的用途
產品的用途是選擇表面改性劑最重要的考慮因素,同時還須考慮與應用體系組分的相容性和配伍性,例如:
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要想增強無機粉體與有機高分子聚合物的相容性和在有機質中的分散性,以提高材料的機械強度和綜合性能,可選擇有機表面改性;
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要想得到新型礦物層間化合物,如黏土或石墨層間化合物,可選擇插層改性;
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要想代替白炭黑及補充白炭黑在某些性能上的不足,可選擇表面包覆二氧化硅;
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要想代替鈦白粉或減少鈦白粉用量,可選擇表面包覆二氧化鈦;
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要想提高橡膠制品的某些特殊性能,可選擇表面包覆金屬顆粒;
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要想提高制品的光學效益和視覺效果,可選擇表面包覆氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵等金屬氧化物。
(3)改性工藝
改性工藝也是選擇表面改性劑的重要考慮因素之一,如溫度、壓力以及環(huán)境因素等。所有的有機表面改性劑都會在一定的溫度下分解,如硅烷偶聯(lián)劑的沸點依品種不同在100~310℃之間變化。因此,所選擇的表面改性劑的分解溫度或沸點最好高于應用時的加工溫度。
對于濕法工藝要考慮表面改性劑的水溶性,因為只有能溶于水才能在濕式環(huán)境下與粉體顆粒充分地接觸和反應。例如碳酸鈣粉體在濕法表面改性時,如直接添加硬脂酸,不僅難以達到預期的表面改性效果(主要是物理吸附),而且利用率低,過濾后表面改性劑流失嚴重,濾液中有機物排放超標。因此,對于不能直接水溶而又必須在濕法環(huán)境下使用的表面改性劑,必須預先將其皂化、銨化或乳化,使其能在水溶液中溶解和分散。
(4)價格和環(huán)境因素
在滿足應用性能要求或應用性能優(yōu)化的前提下,盡量選用價格較便宜的表面改性劑,以降低表面改性的成本。同時要注意選擇不對環(huán)境造成污染的表面改性劑。
2、表面改性劑的用量
理論上在顆粒表面達到單分子層吸附所需的用量為最佳用量,該用量與粉體原料的比表面積和表面改性劑分子的截面積有關,但這一用量不一定是100%覆蓋時的表面改性劑用量,對于無機表面包覆改性,不同的包覆率和包膜層厚度可能表現(xiàn)出不同的特性,如顏色、光澤等。因此,實際最佳用量的確定還是要通過改性試驗和應用性能試驗來確定,這是因為表面改性劑的用量不僅與表面改性時表面改性劑的分散和包覆的均勻性有關,還與應用體系對粉體原料的表面性質和技術指標的具體要求有關。
對于濕法改性,表面改性劑在粉體表面的實際包覆量不一定等于表面改性劑的用量,因為總是有一部分表面改性劑未能與粉體顆粒作用,在過濾時被流失掉了。因此,實際用量要大于達到單分子層吸附所需的用量。
3、表面改性劑使用方法
表面改性劑的使用方法是表面改性劑配方的重要組成部分之一,對粉體的表面改性效果有重要影響,好的使用方法可以提高表面改性劑的分散程度和與粉體的表面改性效果,反之,使用方法不當就可能使表面改性劑的用量增加,改性效果達不到預期目的。
表面改性劑的用法包括配制、分散和添加方法以及使用兩種以上表面改性劑時加藥順序。
(1)配制
表面改性劑的配制方法要依表面改性劑的品種、改性工藝和改性設備而定。不同的表面改性劑需要不同的配制方法,例如,對于硅烷偶聯(lián)劑,與粉體表面起鍵合作用的是硅醇,因此,要達到好的改性效果(化學吸附)最好在添加前進行水解。對于使用前需要稀釋和溶解的其他有機表面改性劑,如鈦酸酯、鋁酸酯、硬脂酸等要采用相應的有機溶劑,如無水乙醇、甲苯、乙醚、丙酮等進行稀釋和溶解。對于在濕法改性工藝中使用的硬脂酸、鈦酸酯、鋁酸酯等不能直接溶于水的有機表面改性劑,要預先將其皂化、銨化或乳化為能溶于水的產物。
(2)添加方法
添加表面改性劑的最好方法是使表面改性劑與粉體均勻和充分的接觸,以達到表面改性劑的高度分散和表面改性劑在粒子表面的均勻包覆。因此,最好采用與粉體給料速度連動的連續(xù)噴霧或滴(添)加方式,當然只有采用連續(xù)式的粉體表面改性機才能做到連續(xù)添加表面改性劑。
無機表面改性劑的配制方法比較特殊,需要考慮溶液pH值、濃度、溫度、助劑等多種因素。例如,白云母表面包覆二氧化鈦時,要預先將硫酸氧鈦或四氯化鈦進行水解。
(3)加藥順序
在選用二種以上的表面改性劑對粉體進行處理時,加藥順序也對最終表面改性效果有一定影響。在確定表面改性劑的添加順序時,首先要分析二種表面改性劑各自所起的作用和與粉體表面的作用方式(是物理吸附為主還是化學吸附為主)。一般來說先加起主要作用和以化學吸附為主的表面改性劑,后加起次要作用和以物理吸附為主的表面改性劑。
例如混合使用偶聯(lián)劑和硬脂酸時,一般來說,應先加偶聯(lián)劑,后加硬脂酸,因為添加硬脂酸的主要目的是強化粉體的疏水親油性以及減少偶聯(lián)劑的用量、降低改性作業(yè)的成本。
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